WO2020248853A1 - 基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法 - Google Patents

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宋迎东
魏婷婷
于国强
贾蕴发
董洪年
张盛
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Abstract

基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，包括步骤如下：制作电极（步骤1）；搭建多通道测试测量硬件系统（步骤2）；设计电阻抗实时成像软件（步骤3）；确立电阻率与氧化程度的关系（步骤4）；由电阻率分布计算结果获得氧化程度分布情况（步骤5）。监测方法可由电阻抗成像技术对陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的实时计算结果结合电阻率随氧化程度的变化关系，同步、准确地间接监测高温部件的氧化情况。

Description

基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法 技术领域
本发明涉及氧化状态监测技术领域，具体涉及基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，将电阻抗成像技术与电阻率随氧化程度变化关系相结合，实时监测航空发动机高温部件的氧化情况。
背景技术
连续纤维增强陶瓷基复合材料具有极好的高温稳定性及较好的力学性能，综合性能优异，是目前作为航空燃气涡轮发动机热端部件最具潜力的高温热结构材料。与此同时，航空发动机高温部件服役环境苛刻，因素复杂。在长期的复杂应力与热化学耦合的服役环境下，陶瓷基复合材料热端构件可能会出现多种形式的损伤。如未及时发现并处理，极有可能导致整个结构件的迅速破坏，造成重大事故。此外，有效的损伤监测能够揭示材料的损伤机理，使得寿命预测结果更为准确，从而推动陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用。对于复合材料高温部件来说，氧化损伤是其主要损伤形式之一。在航空领域，以氧化或燃烧为主的腐蚀损伤是飞机结构损伤的主要形式。
目前常用检测复合材料损伤的方法有超声波探测法、红外热成像及声发射检测方法等(见梅辉，张鼎，夏俊超，et al.浅谈陶瓷基复合材料无损检测方法及其进展[J].航空制造技术，2017，60(5)：24-30.)。超声波法穿透能力强、灵敏度高，但是易存在近场检测盲区，检测小缺陷和厚度较小的材料比较困难。红外热成像效率高、结果清晰直观，但是测温误差受环境高温物体影响很大。声发射可以获得缺陷的动态信息，灵敏度高、负载小，但是定位精度不高，损伤产生的信号与噪声较难区分，难以检测到材料内部缺陷。此外，上述方法在操作性、原位检测能力、设备成本及复杂度等方面均有不同程度的局限。针对氧化损伤，一种基于光纤光栅传感器的无损检测方法(见中国专利CN105866041A《基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统及监测方法》)能够对碳化硅类复合材料中碳化硅物质的氧化状态进行实时在线监测，但是在复合材料中大量地加入光导纤维附加物将不可避免地会降低材料的性能，同时光纤传感器存在性能稳定性及价格方面的问题，使其在应用中受到很大的限制。
因此，有必要提供一种能够实时、在线、原位监测高温部件氧化情况的氧化程度监测方法，实现快速有效、经济可靠的氧化状态监测。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度 监测方法，旨在解决高温场合氧化监测难度大、难以实时检测等问题，本发明的方法可由电阻抗成像技术对陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的实时计算结果结合电阻率随氧化程度变化关系，同步快速、准确地间接监测高温部件的氧化程度分布。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制作电极，围绕被测陶瓷基复合材料结构件的四周组建一定数量的用于传导电信号的电极阵列；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置；
步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统，采集电极阵列传导的电信号；
步骤3：基于电阻抗成像技术重建算法及步骤2中硬件系统采集到的电压数据，实现陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的计算及成像；
步骤4：确立电阻率随氧化程度变化的关系；
步骤5：根据步骤4建立的电阻率随氧化程度变化的关系，将步骤3中计算得到的电阻率分布情况转换为氧化程度分布情况，最终实现陶瓷基复合材料高温部件上氧化程度分布的实时有效测量。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，步骤1中，被测陶瓷基复合材料结构件为涡轮导向叶片，电极埋入高温部件内部边缘处，以避免附加干扰；热防护装置采用超高温耐蚀陶瓷涂层均匀涂敷在电极表面，形成保护罩，以及采用石英纤维套管为导线隔热。
进一步地，步骤4中，开展试验，研究高温空气环境下，在恒温过程中，陶瓷基复合材料试件两端的电阻值与氧化程度之间的关系。
进一步地，步骤4中，在夹具的夹持下，长条状的试件穿过高温炉内腔，试件的两端对称地位于高温炉外壳外，高温炉内腔的内壁安装有保温砖；试件的两端与电阻测试仪相连，两端之间的电阻值由电阻测试仪实时测量及存储。
进一步地，步骤4中，陶瓷基复合材料试件的氧化程度通过在保持最高温度不变的情况下，调整恒温时间的长短进行控制。
进一步地，步骤5中，氧化程度分布与电阻率分布情况基于相同的高温薄板被测件二维有限元模型建立，并最终以图像的方式直观显示。
本发明的有益效果是：
(1)本发明将电阻抗成像技术应用于高温部件的氧化程度监测，解决了高温恶劣环境下氧化状态难以有效监测的技术难题，提出了一种切实可行、经济可靠的新方法。
(2)本发明中电阻率随氧化程度变化关系的研究方法简明易懂，更容易让工程人员接受和掌握，同时建立出的电阻率氧化程度关系较为准确。
(3)本发明与现有氧化程度监测技术相比，由于依托于实时的电阻抗成像系统以及可靠的电阻率氧化程度试验关系，因而氧化程度监测结果更加准确并具有实时性。
附图说明
图1是本发明测试方案整体示意图。
图2是本发明基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测原理示意图。
图3是本发明电阻随氧化程度变化关系的试验装置示意图。
图4基于电阻抗成像技术的陶瓷基复合材料高温部件氧化程度分布监测结果示意图。
附图标记如下：涡轮导向叶片1，电极阵列2、硬件系统3、计算机4、夹具5、试件6、高温炉外壳7、保温砖8、高温炉内腔9、电阻测试仪10。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，包括电阻抗成像系统和结合电阻率随氧化程度的变化关系进行陶瓷基复合材料高温部件氧化情况实时监测的分析方法。
电阻抗成像系统由两部分组成，第一部分是位于测试端的用于多通道测试测量和电信号传导的硬件，第二部分是位于PC端的用于运算和成像、控制的软件。电阻抗成像系统的硬件部分主要包含多通道开关系统、精密直流电源、高精度数据采集系统及电极装置。电极装置具有一定的耐高温性能，能在高温环境中准确传导电信号。电阻抗成像系统的软件部分包含电阻率分布的计算、成像及对硬件的程序控制等主要功能。
陶瓷基复合材料高温部件氧化程度实时监测的分析方法是利用陶瓷基复合材料电阻率随氧化程度的变化关系将电阻抗成像系统计算得到的陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布结果转换为氧化程度分布结果从而实现高温部件氧化程度分布监测的一种方法。陶瓷基复合材料电阻率随氧化程度变化的关系一般由高温试验获得的试件电阻值随氧化程度变化的关系进一步分析得到。高温试验中复合材料试件的氧化程度可以通过在保持最高温度不变的情况下，调整恒温时间的长短进行控制。陶瓷基复合材料高温部件一般为薄板件，如涡轮导向叶片。
如图1、图2所示的基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，具体包括如下步骤：
步骤1：制作电极。围绕被测结构件如涡轮导向叶片1的四周组建一定数量的用于传导 电信号的电极阵列2(即传感器阵列)；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置，例如采用超高温耐蚀陶瓷涂层均匀涂敷在电极表面，形成保护罩，以及采用石英纤维套管为导线隔热等手段。
步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统3。实现微小恒定电流的稳定传输、多通道切换以及微弱电压数据的精确采集。多通道测试测量硬件系统具有较高的测试稳定度和测量精度，以满足弱电信号的传输及采集。
步骤3：设计电阻抗实时成像软件。自主编译程序控制硬件，实现自动测试和测量；基于电阻抗成像技术重建算法及步骤2中硬件系统3采集到的电压数据，自主编译程序实现电阻率分布的计算及成像。控制及计算程序统一集成到计算机4中的人机交互软件中。重建算法的计算速度应较高，以满足实时性的要求。
步骤4：确立电阻率随氧化程度变化的关系。开展试验，研究高温空气环境下，在恒温过程中，陶瓷基复合材料试件两端的电阻值与氧化程度之间的关系。在高温试验中，电阻率还与温度等外界因素有关，因此需剔除温度的影响，可以通过保持温度为恒定值的方式解决；复合材料试件的氧化程度可以通过在保持最高温度不变的情况下，调整恒温时间的长短进行控制。一种探究试件电阻值与氧化程度之间关系的试验装置如图3所示。在夹具5的夹持下，长条状陶瓷基复合材料试件6处于高温炉加热装置中。其中，7为高温炉外壳，8为保温砖，9为高温炉内腔，试件两端之间的电阻值由精密电阻测试仪10实时测量及存储。
步骤5：由电阻率分布计算结果获得氧化程度分布情况。根据步骤4建立的电阻率随氧化程度变化的关系，将步骤3中计算得到的电阻率分布情况转换为氧化程度分布情况，最终实现陶瓷基复合材料高温部件上氧化程度分布的实时有效监测。获得的氧化程度分布结果示意图如图4所示，颜色的不同显示了氧化程度的不同，其中深色区域为氧化程度最高的区域。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

  1. 基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
    步骤1：制作电极，围绕被测陶瓷基复合材料结构件的四周组建一定数量的用于传导电信号的电极阵列；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置；
    步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统，采集电极阵列传导的电信号；
    步骤3：基于电阻抗成像技术重建算法及步骤2中硬件系统采集到的电压数据，实现陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的计算及成像；
    步骤4：确立电阻率随氧化程度变化的关系；
    步骤5：根据步骤4建立的电阻率随氧化程度变化的关系，将步骤3中计算得到的电阻率分布情况转换为氧化程度分布情况，最终实现陶瓷基复合材料高温部件上氧化程度分布的实时有效测量。
  2. 如权利要求1所述的基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于：步骤1中，被测陶瓷基复合材料结构件为涡轮导向叶片(1)，电极埋入高温部件内部边缘处；热防护装置采用超高温耐蚀陶瓷涂层均匀涂敷在电极表面，形成保护罩，以及采用石英纤维套管为导线隔热。
  3. 如权利要求1所述的基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于：步骤4中，开展试验，研究高温空气环境下，在恒温过程中，陶瓷基复合材料试件两端的电阻值与氧化程度之间的关系。
  4. 如权利要求3所述的基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于：步骤4中，在夹具(5)的夹持下，长条状的试件(6)穿过高温炉内腔(9)，试件(6)的两端对称地位于高温炉外壳(7)外，高温炉内腔(9)的内壁安装有保温砖(8)；试件(6)的两端与电阻测试仪(10)相连，两端之间的电阻值由电阻测试仪(10)实时测量及存储。
  5. 如权利要求3所述的基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于：步骤4中，陶瓷基复合材料试件的氧化程度通过在保持最高温度不变的情况下，调整恒温时间的长短进行控制。
  6. 如权利要求1所述的基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于：步骤5中，氧化程度分布与电阻率分布情况基于相同的高温薄板被测件二维有限元模型建立，并最终以图像的方式直观显示。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110146550B (zh) * 2019-06-13 2020-03-13 南京航空航天大学 基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法
CN113916767B (zh) * 2021-09-30 2022-09-16 华中科技大学 一种纳米级金属化膜大气腐蚀测量装置及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104019909A (zh) * 2014-06-18 2014-09-03 重庆大学 基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统
CN106872350A (zh) * 2017-04-17 2017-06-20 武汉大学 深井型直流接地极混凝土结构中馈电棒腐蚀检测模拟方法
US20170313436A1 (en) * 2016-04-27 2017-11-02 Leonardo S.P.A. Method of monitoring a composite material
CN109101742A (zh) * 2018-08-28 2018-12-28 南京航空航天大学 基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法
CN109608203A (zh) * 2019-01-30 2019-04-12 东华大学 高熵二硅化物及其制备方法
CN110146550A (zh) * 2019-06-13 2019-08-20 南京航空航天大学 基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2421952B (en) * 2005-01-07 2010-04-21 Univ Sheffield Damage Detection System
CN104792824B (zh) * 2015-04-15 2017-10-31 西安工程大学 用于ZnO陶瓷点缺陷结构检测的温差电势电流方法
CN105631148B (zh) * 2015-12-31 2019-05-14 南京航空航天大学 应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法
DE102016104725B4 (de) * 2016-03-15 2019-01-17 Technische Hochschule Köln Verfahren zur Überwachung der Struktur eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs mit einer Sensoranordnung aus einer Mehrzahl von Sensoren zur Strukturüberwachung des Verbund- werkstoffs
CN105866041B (zh) * 2016-04-02 2019-10-11 上海大学 基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统及监测方法
CN107356599B (zh) * 2017-06-23 2020-02-18 厦门大学 一种陶瓷基复合材料的太赫兹无损检测方法
CN107655937A (zh) * 2017-08-25 2018-02-02 南京航空航天大学 一种结构损伤实时监测与定位方法
CN109557107A (zh) * 2018-12-29 2019-04-02 南工大溧阳新材料研发中心有限公司 一种不锈钢/碳钢复合材料的探伤检测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104019909A (zh) * 2014-06-18 2014-09-03 重庆大学 基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统
US20170313436A1 (en) * 2016-04-27 2017-11-02 Leonardo S.P.A. Method of monitoring a composite material
CN106872350A (zh) * 2017-04-17 2017-06-20 武汉大学 深井型直流接地极混凝土结构中馈电棒腐蚀检测模拟方法
CN109101742A (zh) * 2018-08-28 2018-12-28 南京航空航天大学 基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法
CN109608203A (zh) * 2019-01-30 2019-04-12 东华大学 高熵二硅化物及其制备方法
CN110146550A (zh) * 2019-06-13 2019-08-20 南京航空航天大学 基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法

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